扩散原理
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只有邻近出现空位，替 位杂质才容易运动到近 邻空位上
换位式扩散
替位原子不断与邻近硅原子交换位置，向前扩散。
处于间隙位置的硅原子取代了替位位置的杂质， 使之处于间隙位置，以便向下一个替位位置扩散。
扩散模型（宏观）
扩散定律（菲克第一定律） N J D X
J：单位时间内杂质原子扩散量(粒子数/cm2·s) ΔN / Δx ：杂质的浓度梯度 D：杂质的扩散系数—描述杂质扩散运动快慢
扩散现象：微观粒子从高浓度向低浓度的迁 移现象。
温度 浓度梯度
半导体工艺中的扩散是将杂质元素通过扩散 的方式掺入到半导体材料体内，以改变材料 的电学性质、并力求杂质浓度、分布形式和 深度满足要求。
杂质在半导体中的扩散模型（微观模型）：
间隙式扩散 空位式扩散 换位式扩散
间隙式扩散：
N(x,t)
实际生产中扩散温度一般为900℃~1200℃， 扩散通常分两步进行：
第一步：预扩散或预淀积，恒定表面源，余 误差分布。
第二步：主扩散或再分布，有限表面源，高 斯分布。
两种扩散的比较
恒定表面源扩散(余误差分布)
特点：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质 浓度始终不变。
杂质分布：
பைடு நூலகம்
N (x,t)
Ns erfc( 2
x) Dt
其中：N（x，t）— 在t时刻距硅片表面为x处的杂 质浓度；Ns — 表面浓度，此处为常数，通常等 于杂质在硅中的固浓度；Erfc — 余误差函数
决定因素：温度、粒子大小、晶体结构、缺陷浓 度以及粒子运动方式。
“-”：表示扩散方向与浓度增加方向相反，即沿 浓度下降的方向
菲克第二定律
N 2N
D
t
x2
反应了杂质分布与扩散时间和位置x之间的关
系。
扩散类型 恒定源扩散 :用于杂质预扩散或预淀积（控制
剂量）
有限表面源扩散:用于杂质再分布或推进，以 获得合适的结深和浓度。
掺杂
--扩散原理
掺杂
半导体材料最神奇之处：电学特性（甚至力学 特性）对杂质浓度十分敏感。
掺杂是指用人为的方法，按照一定的方式（合 金、扩散、离子注入）将杂质布掺入到半导体 等材料中，使其数量和浓度分布均符合要求， 借此改变材料电学性质（导电类型，电阻率等） 或机械性能，达到形成半导体器件的目的。
固浓度：一定温度下，杂质在固体中的最大浓度。 某种元素是否能作为扩散杂质的一个重要标准，就 是看它的固浓度是否大于扩散所要求的表面浓度
可得硅片表面杂质总量
Q
0
N (x,t)dx
0
Ns
erfc( 2
x Dt
)dx
2N
s
Dt
1.13Ns Dt
应用: 硼和磷的预淀积，隐埋扩散和隔离扩 散的预淀积 N(x,t)
目的：
形成pn结：NPN晶体管基区、发射区形成， MOS源漏的形成等等
改变材料的电阻率：多晶硅的掺杂，减小栅极的 电阻；
改变材料的某些特性：PSG，BPSG等
方法：
合金法 扩散法， 离子注入法
杂质类型：根据导电类型分为
V族元素—施主—电子—n型 III族元素—受主—空穴—p型
有限源扩散（高斯分布）
特点：在扩散之前，表面放入一定量的杂质 源，而在以后的扩散中不再有杂质加入。硅 片内杂质总量始终保持不变。
杂质分布：
N(x,t)
Q
x2
e 4Dt
Dt
Q -预淀积在硅片表面有限薄层内的杂质的总量
e-x2/4Dt - 高斯函数。
应用：隔离扩散的再分布，基区扩散的再分 布，发射区扩散的再分布，以及MOS或 CMOS半导体器件源、漏扩散的再分布等。
间隙式杂质：存在于晶格 间隙的杂质。
Au, Fe, Cu, Ni, Zn, Mg
间隙式杂质从一个间隙位 置到相邻间隙位置的运动。
半径较小的杂质原子以间 隙式扩散进行
替位式扩散（空位）
替位杂质：占据晶格位 置的外来原子。
P，B，As， Al ，Ga， Sb，Ge
替位式扩散：替位杂质 从晶格位置到相邻空位 的运动。
换位式扩散
替位原子不断与邻近硅原子交换位置，向前扩散。
处于间隙位置的硅原子取代了替位位置的杂质， 使之处于间隙位置，以便向下一个替位位置扩散。
扩散模型（宏观）
扩散定律（菲克第一定律） N J D X
J：单位时间内杂质原子扩散量(粒子数/cm2·s) ΔN / Δx ：杂质的浓度梯度 D：杂质的扩散系数—描述杂质扩散运动快慢
扩散现象：微观粒子从高浓度向低浓度的迁 移现象。
温度 浓度梯度
半导体工艺中的扩散是将杂质元素通过扩散 的方式掺入到半导体材料体内，以改变材料 的电学性质、并力求杂质浓度、分布形式和 深度满足要求。
杂质在半导体中的扩散模型（微观模型）：
间隙式扩散 空位式扩散 换位式扩散
间隙式扩散：
N(x,t)
实际生产中扩散温度一般为900℃~1200℃， 扩散通常分两步进行：
第一步：预扩散或预淀积，恒定表面源，余 误差分布。
第二步：主扩散或再分布，有限表面源，高 斯分布。
两种扩散的比较
恒定表面源扩散(余误差分布)
特点：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质 浓度始终不变。
杂质分布：
பைடு நூலகம்
N (x,t)
Ns erfc( 2
x) Dt
其中：N（x，t）— 在t时刻距硅片表面为x处的杂 质浓度；Ns — 表面浓度，此处为常数，通常等 于杂质在硅中的固浓度；Erfc — 余误差函数
决定因素：温度、粒子大小、晶体结构、缺陷浓 度以及粒子运动方式。
“-”：表示扩散方向与浓度增加方向相反，即沿 浓度下降的方向
菲克第二定律
N 2N
D
t
x2
反应了杂质分布与扩散时间和位置x之间的关
系。
扩散类型 恒定源扩散 :用于杂质预扩散或预淀积（控制
剂量）
有限表面源扩散:用于杂质再分布或推进，以 获得合适的结深和浓度。
掺杂
--扩散原理
掺杂
半导体材料最神奇之处：电学特性（甚至力学 特性）对杂质浓度十分敏感。
掺杂是指用人为的方法，按照一定的方式（合 金、扩散、离子注入）将杂质布掺入到半导体 等材料中，使其数量和浓度分布均符合要求， 借此改变材料电学性质（导电类型，电阻率等） 或机械性能，达到形成半导体器件的目的。
固浓度：一定温度下，杂质在固体中的最大浓度。 某种元素是否能作为扩散杂质的一个重要标准，就 是看它的固浓度是否大于扩散所要求的表面浓度
可得硅片表面杂质总量
Q
0
N (x,t)dx
0
Ns
erfc( 2
x Dt
)dx
2N
s
Dt
1.13Ns Dt
应用: 硼和磷的预淀积，隐埋扩散和隔离扩 散的预淀积 N(x,t)
目的：
形成pn结：NPN晶体管基区、发射区形成， MOS源漏的形成等等
改变材料的电阻率：多晶硅的掺杂，减小栅极的 电阻；
改变材料的某些特性：PSG，BPSG等
方法：
合金法 扩散法， 离子注入法
杂质类型：根据导电类型分为
V族元素—施主—电子—n型 III族元素—受主—空穴—p型
有限源扩散（高斯分布）
特点：在扩散之前，表面放入一定量的杂质 源，而在以后的扩散中不再有杂质加入。硅 片内杂质总量始终保持不变。
杂质分布：
N(x,t)
Q
x2
e 4Dt
Dt
Q -预淀积在硅片表面有限薄层内的杂质的总量
e-x2/4Dt - 高斯函数。
应用：隔离扩散的再分布，基区扩散的再分 布，发射区扩散的再分布，以及MOS或 CMOS半导体器件源、漏扩散的再分布等。
间隙式杂质：存在于晶格 间隙的杂质。
Au, Fe, Cu, Ni, Zn, Mg
间隙式杂质从一个间隙位 置到相邻间隙位置的运动。
半径较小的杂质原子以间 隙式扩散进行
替位式扩散（空位）
替位杂质：占据晶格位 置的外来原子。
P，B，As， Al ，Ga， Sb，Ge
替位式扩散：替位杂质 从晶格位置到相邻空位 的运动。